Métodos experimentales para la Ingeniería de Tejidos

Mi nombre es Ali Kamasi y actualmente soy profesor asistente en la División de Ciencias de la Salud y Tecnología del MIT de Harvard. Y tengo una cita conjunta con la Facultad de Medicina de Harvard, específicamente en el Hospital Brigham and Women's, que está afiliado a la Facultad de Medicina de Harvard. Y mis áreas de investigación son la ingeniería de tejidos a microescala y el área de biomas.

Por lo tanto, mi formación académica es más a, e inicialmente comencé en ingeniería química. Hice mi licenciatura en ingeniería química en la Universidad de Toronto, y posteriormente me interesé mucho en la ingeniería más orientada a la biología. Así que hice una maestría en ingeniería biomédica y continué en la Universidad de Toronto, trabajando específicamente en la diferenciación de células madre.

Y luego llegué al MIT e hice mi doctorado con el profesor Robert Langer en bioingeniería. Y después, después de unos meses de postdoctorado, me incorporé a mi puesto actual. Las áreas de investigación en las que nos centramos se encuentran realmente en la interfaz entre la biología, la ingeniería y la ciencia de los materiales.

Entonces, lo que estamos tratando de hacer es tratar de abordar las preguntas que los biólogos han estado tratando de responder durante mucho tiempo, pero tratar de hacerlo de una manera que antes no se podía hacer incorporando nuevas tecnologías y nuevas perspectivas para comprender estas preguntas. Y uno de los principales problemas médicos que estamos tratando de abordar es realmente esta escasez de órganos. ¿Cómo generamos órganos tridimensionales que podrían ser potencialmente trasplantados para que, ya sabes, obviamente hay una gran escasez de profesionales de órganos, y muchos pacientes requieren órganos trasplantables y hay enormes listas de espera?

Así que una de las cosas que nosotros y otras personas en el campo de la ingeniería de tejidos intentamos hacer es tratar de generar enfoques en los que podamos hacer tejidos artificiales. Y en el mismo sentido, uno de los principales problemas que existe en este momento, que también está en el descubrimiento de fármacos y en la búsqueda de nuevos fármacos, es cómo generamos mejores modelos que representen tejidos fuera del cuerpo para que podamos probar fármacos y productos químicos y ver cuáles son sus efectos en este tipo de tejidos. Y luego, una vez que podamos hacer eso correctamente, entonces podremos tener un comportamiento predictivo mucho mejor de qué medicamentos van a ser realmente efectivos.

Por lo tanto, no se tienen los retiros de los medicamentos después de que han sido aprobados y los efectos secundarios, y se puede tener un proceso de descubrimiento de medicamentos mucho mejor. Los dispositivos microfluídicos son una subsección de lo que llamamos tecnologías a microescala. Y lo que en estas tecnologías a microescala, yo, tal vez explique qué comienza con eso.

Lo que están tratando de hacer es tratar de imitar la complejidad de los tejidos biológicos o los sistemas biológicos. Por lo tanto, la mayoría de las células tienen alrededor de decenas de micrómetros. Y para entender realmente las células en esas dimensiones, se necesitan tecnologías para poder diseñar lo que una célula ve y lo que una célula percibe en escalas de longitud que van desde mucho más pequeñas de 10 micrómetros hasta más de 10 micrómetros.

Así que puedes tener células individuales y ser capaz de manipular su entorno. Entonces, lo que un sistema como la microfluídica nos permite hacer es intentar, nos permite tener un control muy estricto sobre cómo se entregan los factores solubles a las células. Un ejemplo de ello es ser capaz de tener un canal microfluídico y generar un gradiente de concentración de una quimiocina o un factor de crecimiento o una citoquina allí.

Y lo que nos permite hacer ahora es tratar de imitar lo que sucede durante el desarrollo normal o dentro de los sistemas biológicos donde hay gradientes de concentración en todo el organismo que realmente le dicen a la célula lo que debe hacer. Con los sistemas microfluídicos, podemos generar estos tipos de complejidad biológica de una manera muy rápida y controlada y luego analizar el comportamiento celular directamente en exposición a este tipo de gradientes de concentración o señales biológicas orientadas biológica y espacialmente. Así que la ingeniería de tejidos se originó probablemente hace unos 20 o 30 años con la idea de tratar de usar células trasplantables y fusionarlas con materiales para que podamos, ya sabes, generar mejores tejidos tridimensionales y, en realidad, inicialmente comenzó con personas que intentaban obtener materiales biodegradables, hacer espumas con ellos.

Y así, ya sabes, son estructuras muy porosas. Y luego sembrar estas espumas con células. Entonces, a medida que las células se mueven dentro de esta espuma, se asientan en lugares particulares y, a medida que pasa el tiempo, las células comenzarán a depositar su propia matriz biológica.

Y dado que estos materiales son biodegradables, los materiales se degradan con el tiempo y lo que queda es un tejido completamente biológico. Y este enfoque ha sido particularmente útil para, ya sabes, algunos órganos más simples, como el cartílago. Y de hecho, ha habido cosas como nuestra piel artificial que han sido aprobadas por la FDA.

Así que ha sido clínicamente viable. Donde este enfoque potencialmente podría necesitar más ayuda es con respecto a estructuras más complejas como, como el corazón, o el hígado, donde realmente hay interacciones celulares muy controladas y una complejidad y arquitectura muy controladas a escala micro. Así que una de las ideas originales de la ingeniería de tejidos, que era que cuando se colocaban las células, las células se reorganizaban para generar parte de esta complejidad que se ve en el cuerpo normal.

Pero eso, y eso sucede hasta cierto punto, pero no sucede todo el camino. Por lo tanto, un órgano de ingeniería tisular a nivel de microestructura, seguiría siendo diferente de un tejido biológico verdaderamente nativo. Y eso se debe a que las células simplemente no se ensamblan como lo harían completamente durante, durante, durante el desarrollo.

Así que lo que intentamos hacer, con respecto a la microescala y la ingeniería de tejidos en movimiento a microescala, es tratar de recuperar esta complejidad. Entonces, ¿cómo lo hacemos? Entonces, ¿y cuáles son las complejidades que queremos generar?

Bueno, una de las cosas es que los tejidos de vascularización son muy, muy vasculares y ese suministro, que suministra al tejido oxígeno y nutrientes y otras cosas que necesita. Así que en este momento es muy difícil llegar a diseñar grandes estructuras de tejidos y ser capaz de suministrar a todas las células las cantidades adecuadas de nutrientes y oxígeno. Una cosa que las tecnologías de microescala nos permiten hacer es, potencialmente, diseñar la micro vasculatura directamente en nuestras estructuras tridimensionales.

Otra cosa que las tecnologías a microescala nos permiten hacer es tratar de controlar cómo interactúan los diferentes tipos de células dentro de esta estructura tridimensional. Por lo tanto, es posible que desee tener, ya sabe, un tipo de célula en una estructura particular y tener un tipo de célula secundario al lado, tal como lo haría en el cuerpo. Y utilizando tecnologías a microescala, podemos intentar recuperar este tipo de geometrías y complejidades que están presentes en el cuerpo dentro de nuestra estructura tridimensional.

Por lo tanto, no tenemos que esperar necesariamente que se autoensamblen directamente dentro de los andamios. Hay una serie de desafíos. Uno de los principales desafíos con respecto a cómo podemos diseñar tejidos es que, incluso si hacemos un tejido que sea tridimensional, todavía queremos que sea funcional y hay una variedad de funciones metabólicas mecánicas y bioquímicas que hacen los tejidos normales, que estos órganos de ingeniería tisular necesitan, ya sabes, para, para, básicamente, recapturar e imitar.

Entonces, lo que ha sido un problema en este momento es que muchos órganos de ingeniería tisular no alcanzan su rendimiento biológico nativo. Y parte del problema es que, con respecto a los tipos de materiales que usamos en este momento, no están necesariamente optimizados para una variedad de aplicaciones diferentes. Y ya sabes, nosotros, actualmente, todavía necesitamos entender mejor la biología del desarrollo y la biología de la cicatrización de heridas para poder recrear las condiciones que permiten que las células dentro de estos andamios tridimensionales realmente lleguen hasta lo que saben, lo harían en el cuerpo durante el desarrollo normal o no la cicatrización normal de heridas para que podamos obtener estructuras finales que realmente imiten una cicatrización verdaderamente regenerada o, ya sabes, tejidos desarrollados.

Y la biología todavía está siendo explorada y desarrollada. Entonces, ya sabes, una cosa es la biología, la otra son mejores materiales. Y, por último, creo que un gran problema sigue siendo la fuente de células.

Por eso es muy importante tratar de explorar fuentes celulares alternativas, porque las células de nuestro cuerpo, ya sabes, son, ya sabes, las células madre adultas son muy, ya sabes, una fuente potencial de células potencialmente viables. También cosas como los embrionarios y también los nuevos enfoques que la gente está encontrando utilizando, ya sabes, el uso de células de la piel u otras células para obtener células muy primitivas donde se puede tratar de dirigir su diferenciación y obtener una fuente viable de células. Así que yo diría que esos son tres problemas principales, ya sabes, mejores materiales, entender mejor la biología y conseguir una mejor fuente de células en los próximos cinco años.

Habrá muchos cambios con respecto a hacer que estas tecnologías de microescala sean más ampliamente aplicables tanto a los biólogos como a los ingenieros de tejidos. Creo que mucha gente se está dando cuenta de lo importante que es estudiar realmente tanto la biología como generar tejidos con resolución a microescala. Y creo que va a ser una tendencia muy, ya sabes, continua durante los próximos años.

Y creo que otro aspecto es que va a haber mucha más interacción entre la gente en el producto final, ya sean los médicos clínicos y, ya sabes, la FDA u otros agentes reguladores y ya sabes, la gente de negocios básicamente. Así que va a haber más y más interacción con estas entidades, con los investigadores básicos para tratar de volver atrás y tratar de ver cuáles son los principales problemas en la comercialización de parte de la ciencia que se ha desarrollado. Y pienso, ¿cómo lo hacemos de una manera que sea segura y éticamente responsable?

Así que creo que tanto científicamente como grandes avances por hacer, pero también con respecto a otras cosas, todavía va a haber, se harán muchas cosas y creo que cinco años al menos serán los primeros pasos y en los próximos 10, 15 años es cuando realmente las cosas se van a poner interesantes con respecto a cómo algunas de estas tecnologías, Específicamente, con respecto a la ingeniería de tejidos y las tecnologías de la información, es la aplicación de estas tecnologías a los ensayos de descubrimiento de fármacos y demás, la forma en que se va a utilizar en aplicaciones del mundo real realmente depende de qué órgano estemos hablando y de qué tipo de aplicación estemos hablando. Claramente, la primera y más obvia aplicación de los tejidos artificiales es en el área de descubrimiento de fármacos o en el área de diagnóstico, donde se está tratando de comprender mejor, obtener mejores modelos fisiológicos de los que se pueden tener en un cultivo de tejidos fuera del cuerpo y poder analizarlos, sondearlos para comprender mejor la biología o sondearlos para entender. ya sabes, los productos químicos o drogas efectivos. Y creo que en esa área, el mayor desafío es realmente conseguir algo que imite el tejido nativo de la manera más completa posible, de modo que si tu tejido dice que algo es tóxico, puedes estar muy seguro de que si lo pones en un animal, entonces será todo. Será tóxico y será muy predictivo de la respuesta que obtendría en el animal.

Por lo tanto, y creo que con respecto a las aplicaciones terapéuticas reales, todavía hay muchos más obstáculos que superar. Y creo que los más importantes son cómo se van a comportar estos agentes terapéuticos, ya sabes, a corto y a largo plazo, porque nadie ha entendido realmente, ya sabes, cómo se van a comportar las células extrañas, digamos, ya sabes, las células de ingeniería tisular o de células madre de células madre embrionarias o de otras personas. en mi cuerpo o en el cuerpo de otra persona a largo plazo. Y luego la otra, creo que también hay otras cuestiones éticas como, ya sabes, ¿cómo podemos realmente, ya sabes, cuál es la mejor fuente de células que es, ya sabes, tanto éticamente desafiada como éticamente responsable, pero también científica y clínicamente factible y con respecto a la ingeniería real de órganos, creo que la pregunta principal es si puedes tener algo que sea seguro y que también funcione correctamente? Hay muchos mecanismos reguladores que, ya sabes, cualquier tipo de órgano de ingeniería tisular tiene que superar.

Y creo que la FDA en este momento está comenzando a explorar cómo regular realmente los tejidos biológicos que las personas diseñan para aplicaciones terapéuticas. Y creo que hay uno o dos precedentes para este tipo de productos que van a la comercialización, pero no hay una ruta todavía muy estandarizada en la que se sepa exactamente lo que va a suceder para que algo pase de un laboratorio a un producto final. Así que para algunos de, ya sabes, algo como la piel, ya lo tenemos.

Para algo así como un corazón, un corazón completo, yo diría que estamos muy lejos. Ya sabes, yo diría que tal vez, ya sabes, bueno, probablemente 50, ya sabes, quiero ser muy conservador. Puede suceder antes, pero hay muchos desafíos para obtener algo que tenga la complejidad adecuada y funcione correctamente como lo haría un tejido biológico normal.

Pero creo que con respecto a cosas más pequeñas como un tejido cardíaco, ya sabes, y no un corazón completo, estamos mucho más cerca. Y yo diría, ya sabes, con respecto a una aplicación clínica y algo que realmente ha pasado por el proceso regulatorio, ya sabes, es posible algo dentro de, ya sabes, 15 años, ya sabes, tener piezas trasplantables de tejido cardíaco que puedes, puedes hacer. Y creo que la mayor parte de esto estará en la etapa regulatoria porque en este momento para aprobar un medicamento se necesitan 12 años.

Entonces, incluso si tenemos algo en este momento, que creemos que es perfecto, va a llevar al menos una década asegurarse de que sea seguro y también haga la función adecuada para que podamos, ya sabes, de manera generalizada, usarlo en pacientes.